DE3140110A1

DE3140110A1 - "verfahren und anordnung zur messung absoluter drehungen"

Info

Publication number: DE3140110A1
Application number: DE19813140110
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. 7906 Blaustein-Dietingen Marten; Klaus Dr.-Ing. 7900 Ulm Petermann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1981-10-09
Filing date: 1981-10-09
Publication date: 1983-04-28
Also published as: DE3140110C2; US4549806A

Description

Licentia Patent-VerwaLtungs-GmbH Z13-PTL-UL/Ja/rß Theodor-Stern-Kai 1 UL 81/83

D-6000 Frankfurt (Main) 70

Beschreibung

Verfahren und Anordnung zur Messung absoluter Drehungen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung absoluter Drehungen nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 10.

Ein derartiges Lichtleitfaserringinterferometer ist sehematisch in dem ausgezogen gezeichneten Teil der FIG. 1 dargestellt. Das Licht einer Lichtquelle Q gelangt über eine strahlaufteilende Anordnung T mit den Toren Tl bis T^t, in beide Enden eines aus einer Lichtleitfaserspule gebildeten Lichtwegs L. Nach Durchlaufen des Lichtweges L werden die Lichtstrahlen in der strahlenaufteilenden Anordnung T wieder vereinigt, und das derart entstandene optische Ausgangssignal wird schließlich vom Photodetektor D empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt, aus dem die zu messende Drehung ausgewertet wird.

3H011Q

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Im Lichtweg L wird die optische Phase des Lichtes durch einen Phasenmodulator Ph um den Betrag ,fcp(t) moduliert, wobei der Phasenmodulator Ph mit einem periodischen, vorzugsweisen sinusförmigen, Signal der Grundfrequenz f angesteuert wird, so daß gilt

<f φ (t) = φ «sin (2πί t) ■ ο ο

Aufgrund dieser Modulation ist auch das vom Photodetektor D empfangene Licht das optische Ausgangssignal,moduliert, so daß sich für dessen Lichtleistung P_n folgende Reihenentwicklung ergibt:

P_n = C · P \ 1+ J (V)-cos (2Δ?0 + 2 -J (2i).sin (l)

^L (24j^),cos (2πί (t-t/2))

+ 2 · J₀(M .cos (2A*iO*cos (2π'2ί (ΐ-Τ/2)) + . λ ο

mit

\ = 2Φ .sin (_f f ) und

• ο ti ο

der Leistung P der Lichtquelle Q, einer Konstanten C und der Sagnac-Phasenverschiebung Atf. J , J.,,-J₀ bezeichnen

ο 1 &

Besselfunktionen. Die Sagnac-Phasenverschiebung ist proportional zur zu messenden Drehgeschwindigkeit, so daß durch Messung der Sagnac-Phasenverschiebung die Drehung bestimmbar wird.

Die Leistung P_ der Lichtquelle Q ist nicht moduliert und konstant, so daß sich die Sagnac-Phasenverschiebung Δ^ beispielsweise dadurch aus dem optischen Ausgangssignal bestimmen läßt, daß zunächst die zur Grundfrequenz f gehörende Signalamplitude A =C»P_Q«2» J-(Tl) sin (2Δ^) und

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die zur zweiten Harmonischen 2f gehörende Signalamplitude Ap = C · P · 2 J (\) cos (2Δ^) erzeugt werden und anschließend, z.B. mit einer entsprechenden elektrischen Schaltung, der Quotient

A J₁(^)
-— = ·_τ ¹I ) tan (2AjzO (2)

gebildet wird. Dieser Quotient hängt neben der Sagnac-Phasenverschiebung lediglich vom effektiven Phasenhub "^f ab, der z.B. mit einer Regelanordnung auf einem konstanten Wert gehalten werden kann, so daß, gemäß Gleichung (2) die Sagnac-Phasenverschiebung 2Δ^ aus der Messung des Quotienten A /A₂ mit hoher Genauigkeit bestimmbar wird.

Optimale Modulationsverhältnisse ergeben sich, wenn die

Grundfrequenz f des Phasenmodulators Ph zu f = 1/2^ ^o ο

gewählt wird, wobei^den Laufzeitunterschied zwischen den Lichtlaufzeiten von den Toren Tl, T2 zum Phasenmodulator Ph bezeichnet. Diese Grundfrequenz f hat einen derartig hohen Wert, daß eine Auswertung erschwert wird. So ergibt sich beispielsweise bei einem Lichtweg L mit einer Lichtleit-Faserlänge von lkm eine Grundfrequenz f = lOOkHz. Bei kürzeren Faserlängen ergeben sich noch höhere Grundfr equ en ζ en. Für eine sehr genaue Signalverarbeitung ist es erstrebenswert, möglichst unmittelbar am Photodetektor D oder zumindest nur bei Zwischenschaltung eines Vorverstärkers einen elektrischen Analog/Digital-Wandler anzuordnen, so daß die weitere Signalverarbeitung bis zur Gewinnung der Drehrate rein digital erfolgen kann» Die genannten hohen Grundfrequenzen von einigen 100 kHz lassen sich mit derzeitigen hochgenauen Analog/Digital-Wandlern lediglich

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in einer aufwendigen und daher teuren Weise verarbeiten, denn es werden Wandlungszeiten in der Größenordnung von 1 ,us gefordert.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung absoluter Drehungen gemäß der eingangs genannten Gattung anzugeben, die es auf kostengünstige Weise gestatten, absolute Drehungen genau und störungssicher zu messen und insbesondere eine digitale Auswertung vorzunehmen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1 und 10 angegebenen Merkmale.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß wenige optische Bauelemente, insbesondere aufwendige und daher teure elektro-optische Bauelemente, benötigt werden, um ein erfindungsgemäßes Lichtleitfaserringinterferometer aufzubauen. Durch einen derartigen Aufbau wird die Zuverlässigkeit und die Störsicherheit der Meßanordnung wesentlich erhöht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen sowie der FIG. 1 und 2 näher erläutert.

Ein erstes Ausführungsbeispiel besteht darin, daß im Lichtweg L nicht nur die Phase des Lichtes moduliert wird, sondern auch dessen Intensität. Gemäß FIG. 1 geschieht dieses dadurch, daß der im Lichtweg L befindliche Phasenmodulator Ph durch einen elektrischen Oszillator OS derart angesteuert wird, daß eine periodische, vorzugsweise sinus-

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förmige, optische Phasenmodulation mit der Grundfrequenz f entsteht. Die Lichtquelle Q, z.B„ eine lichtemittierende Diode oder eine Halbleiter-Laserdiode wird durch einen elektrischen Frequenz- und/oder Pulsgenerator PG elektrisch derart angesteuert, daß intensitätsmodulxertes Licht, wobei die Modulationsfrequenz gleich der Mischfrequenz f₂ ist, ausgesandt wird. Gemäß Gleichung (l) ergeben sich zwei modulierte Anteile, nämlich die Modulation der Leistung P_Q mit der Mischfrequenz f_p und die durch den Phasenmodulator Ph bewirkte optische Phasenmodulation, die mit der geschweiften Klammer berücksichtigt wird.

Durch eine Multiplikation dieser beiden Anteile entstehen Mischprodukte, so daß sich beispielsweise die Signalamplitude A nicht nur der Grundfrequenz f , sondern auch bei einer Auswertefrequenz f = jf_o - f I bestimmen läßt. Durch

1 ^o

eine entsprechende Wahl der Mischfrequenz f₂ läßt sich erreichen, daß die Auswertefrequenz f wesentlich kleiner als die Grundfrequenz f ist und daher einer digitalen Signalverarbeitung zugänglich wird.

Wenn nun entsprechend einer Weiterbildung der Erfindung das modulierte Licht nicht nur die Frequenzkomponente f„ sondern wenigstens auch die Frequenzkomponente 2f„ enthält, läßt sich auch die Signalamplitude A„ leicht bestimmen und zwar durch Bestimmung der Signalamplitude bei der Frequenz 2f = | 2f - 2f I .

XmO

Entsprechend einer weiteren Ausbildung der Erfindung ergeben sich die oben genannten Frequenzkomponenten, wenn die Lichtquelle Q sich periodisch wiederholende Lichtpulse mit der Mischfrequenz f„ aussendet, wobei die Pulslänge

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kurz gegenüber der Periodenlänge sein soll. Derartige Lichtpulse lassen sich dann einfach erzeugen, wenn als Lichtquelle eine lichtemittierende Diode oder eine Halbleiterlaserdiode verwendet wird, deren elektrischer An-Steuerstrom entsprechende Pulse aufweist.

Von dem optischen Ausgangssignal, das vom Photodetektor D in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, werden einem nachgeschalteten elektrischen Analog-Digitalwandler A/D lediglich die Frequenzen f = 1 f_ - f I und 2 f = I 2f_Q - 2f J entsprechenden elektrischen Signale zugeführt. Eine an den Analog-Digitalwandler A/D angeschlossene Datenverarbeitungsanlage, z.B. ein Mikroprozessor mit einer optischen Anzeigeeinheit, ermöglicht eine weitere digitale Signalverarbeitung, beispielsweise die BiI-dung des Quotienten A /A„ gemäß Gleichung (2) oder die An-

1 <2 ■

zeige der zu messenden Drehrate.

Soll oder kann das Licht der Lichtquelle Q nicht moduliert

vom

werden, so ist eine Reduzierung der/Analog—Digitalwandler A/D zu verarbeitenden Frequenz auch durch einen elektrisehen Mischer möglich. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist schematisch in FIG. 2 dargestellt. FI6. 2 zeigt lediglich den zur Erläuterung wesentlichen Teil einer Meßanordnung. Gemäß FIG. 2 ist dem Photodetektor D eine elektrische Auswerteeinheit 20 elektrisch nachgeschaltet, die einen Frequenzgenerator FG, einen Mischer M, einen Analog-Digitalwandler A/D sowie eine nachgeschaltete digitale Datenverarbeitungsanlage DV enthält. Wird nun das elektrische Ausgangssignal des Photodetektors D,das im wesentlichen dem optischen Ausgangssignal entspricht, mit einem elektrischen Signal des Frequenzgenerators FG, das Signalkomponenten bei den Frequenzen f_ und 2f enthält,im Mischer

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gemischt, so entstehen ebenfalls die beschriebenen Signalkomponenten bei niedrigen Frequenzen, die für eine digitale Weiterverarbeitung geeignet sind, so daß von der Wirkung her das Mischerkonzept gemäß FIG. 2 der Intensitätsmodulation des Lichtes der Lichtquelle Q entspricht (FIG. l)

Eine langsame digitale Weiterverarbeitung wird auch dann möglich, wenn die Signalamplituden A /A_ nicht bei jeder Periode der Signalschwingung an der Photodiode gewonnen werden, sondern lediglich ein Bruchteil der Signalperioden mit Hilfe einer entsprechend angesteuerten Abtasthalteschaltung ausgewertet wird.

Als Ausführungsbeispiel wird eine Lichtleitfaserspule mit einer Faserlänge von 85Om gewählt, so daß sich eine Grundfrequenz f von 120 kHz ergibt. Ein Halbleiterlaser, als Lichtquelle Q, wird mit einem Pulsgenerator PG angesteuert, der elektrische Pulse einer Pulslänge von 1 ,us erzeugt, die sich periodisch wiederholen mit einer Mischfrequenz f~ = Il8 kHz. Am Photodetektor D entstehen dann unter anderem Signalkomponenten bei der Auswertefrequenz f = I f„ - f I = 2 kHz und deren zweit en Harmonischen ι ^o

2f = 4 kHz. Diese Signale werden dem Analog-Digital-Wandler A/D zugeführt, der das Signal l6 000 mal pro Sekunde abtastet, was acht Abtastwerten pro Periodendauer bezüglich der Auswertefrequenz f entspricht. Aus diesen digitalen Abtastwerten werden dann die Größe der Signalamplituden bei den Frequenzen f und 2f entsprechend A und A„ bestimmt sowie der Quotient A /A₀, woraus schließlich die

1 Ct

Drehrate bestimmbar wird. Auf diese Weise ergibt sich eine sehr zuverlässige Drehgeschwindigkeitsbestimmung, wobei hervorzuheben ist, daß Skalenfaktorschwankungen des Analog-Digital-Wandlers A/D vernachlässigbar werden, da

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diese durch die genannte Divisionsbildung entfallen.

Für eine genaue Auswertung des von dem Photodetektor D erzeugten elektrischen Analogsignals ist es vorteilhaft, dieses Analogsignal zunächst einem sogenannten Sample and Hold— Schaltkreis zuzuführen, der dem zu digitalisierenden Analogsignal zeitlich sehr kurze Proben (Dirac-Impulse) entnimmt, die ein elektrisch nachgeschalteter Analog-Digital-Wandler, der z.B. nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation arbeitet, in ein sogenanntes Datenwort umwandelt. Der- artige zeitlich folgende Datenwörter z.B. l6-bit-parallel-Wö'rter, enthalten in digitaler Form Amplituden- und Phasenwerte des Analogsignales und können von einer Datenverarbeitungsanlage, z.B. ein Mikroprozessor und/oder ein elektronisches parallel arbeitendes, schnelles Rechenwerk, weiterverarbeitet werden gemäß den eingangs erwähnten Gleichungen.

Claims

3H0110 Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH- Z13-PTL-UL/Ja/rß Theodor-Stern-Kai 1 UL 81/83 D-6000 Frankfurt (Main) 70 Pat entansprüche

1.' Verfahren zur Messung absoluter Drehungen mit Hilfe eines Lichtleitfaserringinterferometers, bestehend aus einer Lichtquelle (Q), einer strahlenaufteilenden Anordnung (T), einem durch eine Faserspule gebildeten Lichtweg (L), in dem sich ein Phasenmodulator (Ph) befindet, der im Lichtweg (L) eine periodische, vorzugsweise sinusförmige, optische Phasenmodulation mit einer Grundfrequenz f erzeugt, und einem Photodetektor (D) zur Auswertung eines optischen Ausgangssignales, dadurch gekennzeichnet, daß im Lichtweg (L)umlaufendes Licht und/oder ein elektrisches Ausgangssignal des Photodetektors (D) mit mindestens einer Mischfrequenz f_o derart moduliert wird, daß ein elektrisches Auswertesignal mit einer Auswertefrequenz f entsteht, deren Betrag kleiner wird als derjenige der Grundfrequenz f .

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der Auswertefrequenz f' derart gewählt wird, daß das Auswertesignal insbesondere von einer elektrischen

O 3

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Datenverarbeitungsanlage auswertbar wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Grundfrequenz f im wesentlichen f = 1/(2¹Tj) gilt, wobei t im Lichtweg (L) den Laufzeitunterschied des Lichtes bezeichnet, der zwischen den Lichtlaufzeiten von jeweils einem Tor (Tl, T2) der strahlenaufteilenden Anordnung (T) zum Phasenmodulator (Ph) entsteht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des Lichtes der Lichtquelle (Q) mit einem im wesentlichen periodischen Signal, das die Mischfrequenz f„ enthält, derart moduliert wird, daß im optischen Ausgangssignal Signalkomponenten, bei der Auswertefrequenz f = I f₂ - f I und deren Harmonischen entstehen, und daß zur Auswertung des optischen Ausgangssignales die Signalamplitude wenigstens bei der Auswertefrequenz f und/oder einer deren Harmonischen herangezogen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das intensitätsmodulierte Licht der Lichtquelle (Q) mindestens Komponenten enthält bei der Mischfrequenz f_p und deren erster Harmonischen 2f und daß die Drehung aus einer Quotientenbildung der Signalamplituden bei der Auswertefrequenz f = I f - f I sowie deren erster Harmonischen 2f

ImO X

des optischen Ausgangssignales ausgewertet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß von der Lichtquelle (Q) Lichtpulse ausgesandt werden, die sich im wesentlichen periodisch wiederholen mit der Mischfrequenz f .

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7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle (Q) eine lichtemittierende Diode oder eine Halbleiter-Laserdiode verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche k bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle (Q) eine lichtemittierende Diode oder eine Halbleiter-Laserdiode verwendet wird und daß deren Lichtintensitätsmodulation durch eine Modulation des elektrischen Ansteuerstromes bewirkt wird.

9· Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) im Lichtweg (L) wird eine optische Phasenmodulation des Lichtes vorgenommen, die die Grundfrequenz f enthält,

b) das elektrische Ausgangssignal des Photodetektors (D) wird mindestens einem elektrischen Mischer (M) zugeführt, dem zusätzlich von mindestens einem Frequenzgenerator (FG) mindestens ein elektrisches Mischsignal derart zugeführt wird, daß das elektrische Ausgangssignal des Mischers (M) zumindest Signalkomponenten der Auswertefrequenz f. und/oder deren Harmonischen enthält.

10. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Analog-Digital-Wandler (A/D) vorhanden ist, dessen Eingangssignal im wesentliehen aus dem Auswertesignal besteht und dessen digitales Ausgangssignal von mindestens einer Datenverarbeitungsanlage (DV) auswertbar ist.

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11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Datentverarbeitungsanlage (DV) aus mindestens einem Mikroprozessor besteht und/oder mindestens einem parallel arbeitendem Rechenwerk.